小编导读
海口体育场内侧罩棚的形状是内坡，且只有通过两侧低点才能排水，构造特殊。屋面坡度达到 50%，这给设计带来了极大的挑战。将水力学理论与实际相结合，搭建了罩棚排水的试验模型，依据模型的试验数据来指导工程实践。通过改变天沟末端挡板的角度以及增设导流板，能够将雨水水跃高度降低到允许的范围之内。
工程概况
海口体育场处在五源河文体公园西北角的 C0801 地块。其西侧是长滨路，东侧是经一路，北侧是纬一路，南侧是长秀大道。该体育场能容纳约 40000 座观众，属于甲级体育场。它能够满足举办全国性和单项国际比赛的需求，也能达到多个项目国家级冬季训练基地场地及配套设施的要求。
体育场西区看台内侧的罩棚屋盖，其主要作用是保护观众，以避免雨水和强烈阳光的侵扰。该罩棚屋盖的材料为半透明的预应力纤维膜，在钢索桁架的上弦拉索之间采用了拱形结构。同时，体育场的罩棚材料选用的是 PTFE 涂层的玻璃纤维膜。
该处罩棚的汇水面积大约是 13500 平方米。它是按照海口 50 年一遇的雨量来进行设计的。其排水的总流量为 953.1 升每秒。罩棚的效果可以查看图 1。
罩棚径向最高点的排水坡度能够达到 50%，这在图 2 中有体现。在罩棚的内侧最低处设置了环向排水天沟，环向排水天沟的平均坡度是 13.6%。由此可以看出，因为罩棚构造设计具有特殊性，它的雨水只能通过环向天沟流向两侧的低点，两端的排水量大约各为 500L/s。
雨水系统设计概况
独特的建筑造型使得雨水排放系统具有特殊性。雨水排放的总体思路是把建筑形态结合起来，借助膜结构的径向坡度以及环向坡度，把屋面的雨水汇聚到两侧的雨水调蓄池里。接着，通过雨水管道把屋面雨水排到地下室的雨水蓄水池以及室外埋地蓄水池中，最后溢流排放到市政管网里，具体情况见图 3。
罩棚径向排水坡度大，雨水从罩棚屋面垂直排至环向天沟时，水流速度为 6 至 8 米每秒。要将此高速水流安全有效地收集至环向雨水天沟，且不翻越至罩棚下方的观众看台区域，这是本工程罩棚设计极具挑战性的难点。此难点关系到造型美观、防汛安全和结构安全，并且国内外没有类似工程案例可供参考，所以成为本工程设计中备受关注的问题。为此，对上述问题进行了理论计算分析，且分析较为深入，同时还进行了现场模拟试验，最终形成了系统解决方案，该方案各方都能够接受。
理论分析
3.1典型排水区域设计参数
本工程有一个最具代表性的排水区域，那就是罩棚最高处（如图 4 所示）。这个排水区域的面积大约是 1000m²，高差大概是 27m，倾角约为 30°。
排水沟的断面以及天沟的转接点示意可在图 5 中看到。因为钢结构的造型产生了影响，所以把天沟分成了 2 个较小的三角形天沟，选取其中一个具有代表性的天沟尺寸，其情况如图 6 所示。
3.2计算方法
为简化计算本工程选用谢才公式，谢才系数选择曼宁公式：
3.3流速和流量的理论数值
典型三角形天沟排水理论计算情况见表 1。从表 1 能够知晓，罩棚的排水排至最低点时的流速相当大，能够达到 6 至 8 米每秒，雨水的水深处在 25 到 31 毫米之间。随着降雨量不断增大，罩棚雨水的流速逐步变大，水深也随之逐渐增多。天沟深度为 25mm 时，水流宽度是 178mm；天沟深度为 31mm 时，水流宽度是 217mm。从这些数据能看出：径向天沟排水时，水流主要集中在三角形天沟内，雨水不会超出此区域，也就是径向天沟内有 2 条雨水天沟（三角形天沟）。
局部模型试验
本工程的设计难点集中在罩棚最高点径向天沟与环形天沟的交汇处。所以在同济大学水力实验室设计了该区域 1∶1 的局部试验模型来进行排水模拟试验，如见图 7 所示。搭建了该处的径向排水天沟，依据实际雨水量，通过加压水泵在天沟的顶端进行布水，并且罩棚顶端设置了布水器。图 7c 的右侧呈现的是径向排水与环向天沟交汇处的水力现象。
4.1主要设计参数及试验设备
给水系统选用 2 台水泵，这 2 台水泵的流量为 187m³/h，扬程为 17m。其中 1 台水泵用于工作，1 台水泵作为备用。
水源是实验室内的储水水池，其容积约为 300m³，水源能够通过实验室内的地沟进行循环使用。
试验装置的高度为 4.5 米，坡度是 50%。选用实际的膜材料，并将其铺设在径向天沟内。该天沟的断面尺寸为图 6 罩棚典型的三角形天沟。环向天沟的尺寸是 1 米×0.7 米，这是按照钢结构专业设计的参数。
流量是通过多普勒超声流量计来进行测定的。这种流量计属于非接触式测试类型，其测量传感器被安置在了给水系统的供水管上面。
4.2试验目的
(1)确定环向天沟挡板高度和角度。
(2)降低径向天沟水流在环向天沟跃水高度的有效措施。
结果与讨论
主要结果见表 2。
从表 2 的数据能够得知，挡板与地面夹角为 105°且雨水量为 10 年重现期时，会有水跃出天沟；挡板与地面夹角为 90°时，水跃高度刚好和挡板高度相同；对天沟末端挡板的角度进行改变，水跃高度会随之逐渐变化，随着挡板角度逐渐变小，水跃高度逐步降低，在最小角度 60°处，水跃高度达到最小；然而，当挡板角度为 60°时，天沟断面最小，环向天沟的通水能力也处于最低水平，不适合本工程使用，所以选用天沟挡板角度为 75°。
试验对产生这种状况的原因进行了进一步分析。当环向天沟的挡板角度发生改变时，高速水流的能量转变方式也随之改变。此时，能量中只有少部分转化为势能，而水流中的动能部分依然很大。并且，水流的方向转向了膜内侧。同时，水流在膜内侧降落的过程中，会对正在流动的雨水产生干扰，从而进一步降低了水跃高度。其对比效果如图 9 所示。
试验二中，降低雨水水跃高度有另一种方式，即设置导流措施。在天沟内设置导流措施，以此来研究导流措施对水跃高度的影响。导流装置见图 10。
在径向天沟内的末端挡板处，设置该导流装置的位置不同，水跃高度的变化情况见表 3。
从表 3 的数据能够看出，在增加了该导流措施之后，水跃的高度有了明显的降低，降低后的高度大约为 400 毫米，这表明该导流措施对于降低末端水跃起到了很好的作用；当改变了导流装置在径向天沟的设置位置之后，水跃高度的减小存在着一个最佳位置，这个最佳位置位于距离天沟挡板大约 2 米的地方。
本工程罩棚的材质是 PTFE 涂层的玻璃纤维膜。因为水流对导流板的冲击作用很大，所以在膜表面安装该导流措施难以实施。故而本工程导流装置的最佳安装位置在环向天沟内，也就是距离挡板 500mm 左右的位置。又由于海口气候条件具有特殊性，经与建筑专业确认，环向天沟的材质为金属材质。并且在金属材料表面安装此装置很容易进行。
试验选取的导流装置宽度是 700mm，导流角度大概是 45°。导流板下方约 10mm 的位置是通水区域（见图 10）。在小雨的时候，雨水能够通过这个通道直接流走，这样膜就不会集聚垃圾钢结构排水沟的尺寸，并且还能降低导流装置的受力。大雨时，部分雨水（大约是在断面 1/3 处水流最深的部位）能够通过导流板进行导流。而其他断面的雨水会与排水方向发生改变的雨水相互产生作用，通过内部消能的方式，把水跃的高度降低下来。
试验中对径向天沟的水流状态进行了理论计算，同时也将计算数值与实验测得的数据进行了比较，如图 11 所示。
从图 11 能看出，在水深计算方面，理论计算与实际测得数据较为接近；但在水流宽度上钢结构排水沟的尺寸，两者存在较大差别，实际测得的水流宽度大概是理论计算宽度的 2 倍。同时还能看出，随着重现期增大（也就是水流量增大），水深变化不大，从 25mm 增加到 28mm，而水流宽度变化极为明显，从 36mm 增加到 48.3mm。
本工程罩棚坡度较大，导致水流流速较快，达到 6 至 8 米每秒。在这种高速水流的情形下，水流的阻力较高，并且水流的厚度难以增大，所以水流宽度会逐渐变宽。
小结
根据以上分析，当环向天沟挡板的角度设置为 60°且增加了导流装置后，径向的雨水难以跃过挡板到达下侧贵宾看台处。这两种方式在降低径向雨水的水跃高度方面非常有效。
本试验的目的是找到降低大坡度雨水水跃高度的办法。改变环向天沟挡板的角度以及设置导流板的方案，能够有效地解决这个问题。此试验的结论可以为今后大坡度雨水的设计提供设计方面的参考。
试验条件受到限制，导致试验中出现了一些不足。对于这些不足，有兴趣的单位需要做进一步详细的分析研究。
微信对原文进行了删减。原文的标题为《海口体育场大坡度罩棚排水试验分析》，作者有夏丽华、俞永辉、马信国、颜建萍、谢驰原，该文刊登在《给水排水》2018 年 4 期。
